DE102018219331A1 - Operating a brushless DC motor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerungsvorrichtung (1) für einen dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor (2). Die Motorsteuerungsvorrichtung (1) umfasst einen Stromrichter (3), der für jede Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors (2) eine elektrische Halbbrücke (3.1, 3.2, 3.3) mit zwei elektronischen Schaltern (H1, H2, H3, L1, L2, L3) aufweist, und eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (4) zur Ansteuerung der elektronischen Schalter (H1, H2, H3, L1, L2, L3) des Stromrichters (3). Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (4) ist in einem Normalbetrieb von einer programmierbaren Steuereinheit (9) steuerbar, weist eine erste Schnittstelle (AAD) zum Empfang eines eine Fehlfunktion signalisierenden Fehlersignals (5) auf und ist dazu ausgebildet, den Stromrichter (3) nach dem Empfang des Fehlersignals (5) unabhängig von der programmierbaren Steuereinheit (9) in einen definierten Betriebsendzustand (High_Z) zu versetzen.The invention relates to a motor control device (1) for a three-phase brushless DC motor (2). The motor control device (1) comprises a power converter (3) which has an electrical half bridge (3.1, 3.2, 3.3) with two electronic switches (H1, H2, H3, L1, L2, L3) for each phase of the brushless DC motor (2) , and an application-specific integrated circuit (4) for controlling the electronic switches (H1, H2, H3, L1, L2, L3) of the converter (3). The application-specific integrated circuit (4) can be controlled in normal operation by a programmable control unit (9), has a first interface (AAD) for receiving an error signal (5) that signals a malfunction, and is designed to convert the converter (3) according to To receive the error signal (5) independently of the programmable control unit (9) in a defined final operating state (High_Z).
Description
Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors.The invention relates to a motor control device and a method for operating a three-phase brushless DC motor.
Sicherheitsrelevante Systeme müssen im Falle einer gefährlichen Fehlfunktion in einen sicheren Betriebszustand versetzt werden. Beispielsweise spezifiziert die Norm ISO 26262 Sicherheitsanforderungsstufen ASIL (= automotive safety integrity level) für sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen.Safety-relevant systems must be put into a safe operating state in the event of a dangerous malfunction. For example, the standard ISO 26262 specifies safety requirement levels ASIL (= automotive safety integrity level) for safety-relevant systems in motor vehicles.
In einigen Anwendungen mit elektronisch gesteuerten bürstenlosen Gleichstrommotoren wird ein sicherer Systemzustand beispielsweise erreicht, indem der bürstenlose Gleichstrommotor aktiv in einen vorher festgelegten Betriebszustand, beispielsweise einen ausgekoppelten Zustand im Falle eines Getriebeaktuators, gefahren wird. Alternativ kann das System mit mechanischen Mitteln, beispielsweise durch Auskopplung mittels einer Feder, oder mit Mikrocontrollerunterstützung in einen sicheren Betriebszustand gefahren werden, wodurch jedoch die Wahrscheinlichkeit, Betriebszustände hoher Sicherheitsanforderungsstufen zu erreichen, im Falle von Fehlfunktionen des elektronischen Antriebssteuerungssystems teilweise erheblich reduziert wird.In some applications with electronically controlled brushless DC motors, a safe system state is achieved, for example, by actively driving the brushless DC motor into a predetermined operating state, for example a decoupled state in the case of a transmission actuator. Alternatively, the system can be brought into a safe operating state by mechanical means, for example by decoupling by means of a spring, or with microcontroller support, which, however, in some cases considerably reduces the likelihood of operating states of high safety requirement levels in the event of malfunctions in the electronic drive control system.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Motorsteuerungsvorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum sicheren Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors im Fall einer Fehlfunktion anzugeben.The invention is based on the object of specifying an improved motor control device and an improved method for safely operating a brushless DC motor in the event of a malfunction.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Motorsteuerungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.The object is achieved according to the invention by a motor control device with the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Motorsteuerungsvorrichtung für einen dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor umfasst einen Stromrichter, der für jede Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors eine elektrische Halbbrücke mit zwei elektronischen Schaltern aufweist, und eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung zur Ansteuerung der elektronischen Schalter des Stromrichters. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung ist in einem Normalbetrieb von einer programmierbaren Steuereinheit steuerbar, weist eine erste Schnittstelle zum Empfang eines eine Fehlfunktion signalisierenden Fehlersignals auf und ist dazu ausgebildet, den Stromrichter nach dem Empfang des Fehlersignals unabhängig von der programmierbaren Steuereinheit in einen definierten Betriebsendzustand zu versetzen.A motor control device according to the invention for a three-phase brushless DC motor comprises a converter which has an electrical half-bridge with two electronic switches for each phase of the brushless DC motor, and an application-specific integrated circuit for controlling the electronic switches of the converter. The application-specific integrated circuit can be controlled in normal operation by a programmable control unit, has a first interface for receiving an error signal signaling a malfunction and is designed to set the converter into a defined final operating state independently of the programmable control unit after receipt of the error signal.
Die erfindungsgemäße Motorsteuerungsvorrichtung ermöglicht es, einen bürstenlosen Gleichstrommotor bei einer sicherheitsrelevanten Fehlfunktion ohne Unterstützung einer programmierbaren Steuereinheit aktiv und kontrolliert direkt durch eine die elektronischen Schalter des Stromrichters ansteuernde anwendungsspezifische integrierte Schaltung in einen sicheren Betriebszustand zu versetzen, der durch einen Betriebsendzustand des Stromrichters definiert wird. Dadurch wird insbesondere verhindert, dass das Erreichen des sicheren Betriebszustands durch Fehler der programmierbaren Steuereinheit wie unerwünschte Bitflips verhindert wird.The motor control device according to the invention enables a brushless DC motor to be put into a safe operating state in a safety-relevant malfunction without the support of a programmable control unit and controlled directly by an application-specific integrated circuit controlling the electronic switches of the converter, which is defined by a final operating state of the converter. In particular, this prevents the safe operating state from being prevented by errors in the programmable control unit, such as undesirable bit flips.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung ein Bremsbitregister zum Setzen eines Bremsbit und ein Zählregister zum Speichern eines Zählwertes für den Schaltzustand des Stromrichters ändernde Kommutierungen auf und ist dazu ausgebildet, im Fall, dass bei dem Empfang des Fehlersignals das Bremsbit gesetzt ist, den Stromrichter sofort in den Betriebsendzustand zu versetzen, wenn der Zählwert größer als Null ist, und den Stromrichter vor dem Versetzen des Stromrichters in den Betriebsendzustand für eine definierte Bremszeitdauer in einen Bremsmodus zum Bremsen des bürstenlosen Gleichstrommotors zu versetzen, wenn der Zählwert Null ist.In one embodiment of the invention, the application-specific integrated circuit has a brake bit register for setting a brake bit and a count register for storing a count value for commutations changing for the switching state of the converter, and is designed to be used in the event that the brake bit is set when the error signal is received, immediately put the converter into the final operating state if the count is greater than zero, and put the converter into a braking mode for a defined braking period for braking the brushless DC motor if the count value is zero before the converter is brought into the final operating state.
Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht ein kontrolliertes Bremsen des bürstenlosen Gleichstrommotors, bevor der Motor in den sicheren Betriebszustand versetzt wird, sofern das Bremsen durch das Setzen des Bremsbit vorgesehen ist und dem Bremsen keine durch den Zählwert des Zählregisters vorgesehenen Rotationen des Motors im Wege stehen.The aforementioned embodiment of the invention enables the brushless DC motor to be braked in a controlled manner before the motor is put into the safe operating state, provided that braking is provided by setting the braking bit and there are no rotations in the motor provided by the counting value of the counting register.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung außerdem eine zweite Schnittstelle zum Empfang wenigstens eines eine Rotorstellung eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors anzeigenden Sensorsignals auf und ist dazu ausgebildet, im Fall, dass bei dem Empfang des Fehlersignals das Bremsbit nicht gesetzt ist und der Zählwert größer als Null ist, vor dem Versetzen des Stromrichters in den Betriebsendzustand den Schaltzustand des Stromrichters durch wenigstens eine Kommutierung zu ändern und nach jeder Kommutierung zu prüfen, ob die Kommutierung eine Änderung der Rotorstellung des Rotors bewirkt hat, und den Zählwert im Fall einer erfolgten Änderung der Rotorstellung um Eins zu dekrementieren bis der Zählwert Null ist.In a further embodiment of the invention, the application-specific integrated circuit also has a second interface for receiving at least one sensor signal indicating a rotor position of a rotor of the brushless DC motor and is designed in the event that the brake bit is not set when the error signal is received and the Count value is greater than zero, before switching the converter into the final operating state, the switching state of the To change the converter by at least one commutation and after each commutation to check whether the commutation has caused a change in the rotor position of the rotor, and to decrement the count value in the case of a change in the rotor position by one until the count value is zero.
Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht, gemäß dem Zählwert des Zählregisters vorgesehene Rotationen des Motors auszuführen, bevor der Motor in den sicheren Betriebszustand versetzt wird.The aforementioned embodiment of the invention enables the motor to be rotated according to the count value of the count register before the motor is put into the safe operating state.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung einen Zeitgeber auf und ist dazu ausgebildet, den Zeitgeber nach dem Empfang des Fehlersignals zu starten und den Stromrichter nach Ablauf einer definierten Zeitspanne seit dem Starten des Zeitgebers in den Betriebsendzustand zu versetzen.In a further embodiment of the invention, the application-specific integrated circuit has a timer and is designed to start the timer after receiving the error signal and to set the converter into the final operating state after a defined period of time has elapsed since the timer was started.
Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht, den Motor spätestens nach Ablauf der Zeitspanne in den sicheren Betriebszustand zu versetzen, insbesondere auch dann, wenn beispielsweise der Rotor des bürstenlosen Gleichstrommotors blockiert, daher nicht weitergedreht werden kann und somit eine Ausführung einer durch den Zählwert des Zählregisters vorgegebenen Anzahl von Rotordrehungen nicht realisiert werden kann.The aforementioned embodiment of the invention enables the motor to be put into the safe operating state at the latest after the period of time has elapsed, in particular also when, for example, the rotor of the brushless DC motor is blocked and therefore cannot be rotated further, and thus an execution specified by the count value of the count register is carried out Number of rotor rotations cannot be realized.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in dem Betriebsendzustand des Stromrichters alle elektronischen Schalter ausgeschaltet. Dadurch wird ein Freilauf des Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors und somit ein sicherer Betriebszustand des Motors ermöglicht.In a further embodiment of the invention, all electronic switches are switched off in the operating end state of the converter. This enables the rotor of the brushless DC motor to run freely and thus enables the motor to operate safely.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer erfindungsgemäßen Motorsteuerungsvorrichtung wird jede Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer elektrischen Halbbrücke des Stromrichters verbunden, die elektronischen Schalter des Stromrichters werden mit der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung angesteuert, die anwendungsspezifische integrierte Schaltung wird in einem Normalbetrieb von einer programmierbaren Steuereinheit gesteuert, und der Stromrichter wird von der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung nach dem Empfang des Fehlersignals unabhängig von der programmierbaren Steuereinheit in den definierten Betriebsendzustand versetzt.In the method according to the invention for operating a three-phase brushless DC motor with a motor control device according to the invention, each phase of the brushless DC motor is connected to an electrical half-bridge of the converter, the electronic switches of the converter are controlled by the application-specific integrated circuit, and the application-specific integrated circuit is operated in a normal mode by controlled by a programmable control unit, and the converter is put into the defined final operating state by the application-specific integrated circuit after receipt of the error signal, independently of the programmable control unit.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung ein Bremsbitregister zum Setzen eines Bremsbit und ein Zählregister zum Speichern eines Zählwertes für den Schaltzustand des Stromrichters ändernde Kommutierungen auf und im Fall, dass bei dem Empfang des Fehlersignals das Bremsbit gesetzt ist, wird von der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung der Stromrichter sofort in den Betriebsendzustand versetzt, wenn der Zählwert größer als Null ist, und der Stromrichter wird vor dem Versetzen in den Betriebsendzustand für eine definierte Bremszeitdauer in einen Bremsmodus zum Bremsen des bürstenlosen Gleichstrommotors versetzt, wenn der Zählwert Null ist.In one embodiment of the method, the application-specific integrated circuit has a brake bit register for setting a brake bit and a count register for storing a count value for the commutations changing for the switching state of the converter, and in the event that the brake bit is set when the error signal is received, the application-specific integrated circuit, the converters are immediately put into the final operating state if the count is greater than zero, and the converter is put into a braking mode for braking the brushless DC motor for a defined braking period before the setting, if the count is zero.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eine zweite Schnittstelle zum Empfang wenigstens eines eine Rotorstellung eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors anzeigenden Sensorsignals auf und von der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung wird im Fall, dass bei dem Empfang des Fehlersignals das Bremsbit nicht gesetzt ist und der Zählwert größer als Null ist, vor dem Versetzen des Stromrichters in den Betriebsendzustand der Schaltzustand des Stromrichters durch wenigstens eine Kommutierung geändert und nach jeder Kommutierung wird geprüft, ob die Kommutierung eine Änderung der Rotorstellung des Rotors bewirkt hat, und der Zählwert wird im Fall einer erfolgten Änderung der Rotorstellung um Eins dekrementiert bis der Zählwert Null ist.In a further embodiment of the method, the application-specific integrated circuit has a second interface for receiving at least one sensor signal indicating a rotor position of a rotor of the brushless DC motor, and the application-specific integrated circuit is used in the event that the brake bit is not set when the error signal is received and the count value is greater than zero, the switching state of the converter is changed by at least one commutation before the converter is brought into the operating end state, and after each commutation it is checked whether the commutation has caused a change in the rotor position of the rotor, and the count value is in the case of a change in rotor position decremented by one until the count is zero.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung einen Zeitgeber auf und von der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung wird der Zeitgeber nach dem Empfang des Fehlersignals gestartet und der Stromrichter wird nach Ablauf einer definierten Zeitspanne seit dem Starten des Zeitgebers in den Betriebsendzustand versetzt.In a further embodiment of the method, the application-specific integrated circuit has a timer and the application-specific integrated circuit starts the timer after receiving the error signal and the converter is put into the operating end state after a defined period of time has elapsed since the timer was started.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden in dem Betriebsendzustand des Stromrichters alle elektronischen Schalter ausgeschaltet.In a further embodiment of the method, all electronic switches are switched off in the operational end state of the converter.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen entsprechen den oben bereits genannten Vorteilen einer erfindungsgemäßen Motorsteuerungsvorrichtung und deren oben genannten Ausgestaltungen und werden daher hier nicht noch einmal wiederholt.The advantages of the method according to the invention and its refinements correspond to the advantages of an engine control device according to the invention and their refinements mentioned above and are therefore not repeated here.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Darin zeigen:
-
1 ein Blockdiagramm einer Motorsteuerungsvorrichtung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, -
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors in einem Fehlerfall.
-
1 1 is a block diagram of a motor control device for a brushless DC motor. -
2nd a flowchart of a method for operating a brushless DC motor in the event of a fault.
Die Motorsteuerungsvorrichtung
Ferner umfasst die Motorsteuerungsvorrichtung
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung
In einem ersten Verfahrensschritt
In dem zweiten Verfahrensschritt
In dem dritten Verfahrensschritt
In dem fünften Verfahrensschritt
In dem sechsten Verfahrensschritt
In dem vierten Verfahrensschritt
In dem siebten Verfahrensschritt
In dem achten Verfahrensschritt
In dem neunten Verfahrensschritt
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung kann in verschiedener Weise abgewandelt und ergänzt werden. Insbesondere kann es in für den Fachmann in offensichtlicher Weise auf die Steuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- MotorsteuerungsvorrichtungMotor control device
- 22nd
- bürstenloser Gleichstrommotorbrushless DC motor
- 33rd
- StromrichterPower converter
- 3.1, 3.2, 3.33.1, 3.2, 3.3
- HalbbrückeHalf bridge
- 44th
- SteuereinheitControl unit
- 55
- FehlersignalError signal
- 66
- SensorsignalSensor signal
- 7, AAD, HALLx7, AAD, HALLx
- Schnittstelleinterface
- 88th
- MotorsteuersignalEngine control signal
- 99
- SteuereinheitControl unit
- 1010th
- Error HandlerError handler
- 1111
- ZählregisterCounting register
- 1212
- BremsbitregisterBrake bit register
- 1313
- ZeitgeberTimer
- AAD_BrakeAAD_Brake
- BremsbitBrake bit
- AAD_Step_cntAAD_Step_cnt
- ZählwertCount value
- High_ZHigh_Z
- BetriebsendzustandFinal operating state
- H1, H2, H3H1, H2, H3
- erster elektronischer Schalterfirst electronic switch
- L1, L2, L3L1, L2, L3
- zweiter elektronischer Schaltersecond electronic switch
- S1 bis S9S1 to S9
- VerfahrensschrittProcedural step
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